Noch nie wurde dem Wohlergehen von Mutter Erde so viel Aufmerksamkeit geschenkt: Seit dem Frühjahr überprüft der busgroße Satellit "Terra" in 705 Kilometern Höhe stetig die wichtigsten Lebensfunktionen unseres Planeten. Während er seine Bahn von Pol zu Pol zieht, nimmt er der Reihe nach alle Weltregionen ins Visier. Tagtäglich sammelt er dabei für die gesamte Erde essenzielle Daten über

- die Wolkenverteilung und den Pflanzenwuchs,

- die Sonnenintensität und die Lufttemperaturen,

- Brände und die Ausdehnung der Gletscher.

Die Supercomputer der Klima- und Umweltforscher fügen diese Informationen zu einem stets aktuellen Bild vom Umwelt- und Klimastatus unseres Planeten zusammen.

In der heutigen Zeit ändern sich die Umweltparameter schneller als je zuvor in der Erdgeschichte. Man denke nur an die Hunderte von Waldbränden, die jedes Jahr vorsätzlich gelegt werden, um Boden für die landwirtschaftliche Nutzung freizumachen. Das Ausmaß der Feuerrodungen hat sich während des letzten Jahrhunderts vervierfacht. Heute brennen die Menschen pro Jahr eine Fläche von durchschnittlich 142000 Quadratkilometern nieder, etwas mehr als die Größe Griechenlands.

Einige Sensoren von "Terra" spüren die Feuer auf und bestimmen ihre Intensität, während andere die Ausdehnung der verbrannten Erde messen und beobachten, wie sich Rauchpartikel und Verbrennungsgase über die Atmosphäre verteilen. Einer dieser Sensoren hat eine Auflösung von 15 Metern und kann Brandherde damit extrem genau lokalisieren; ein anderer vermag zu erkennen, wo Schwelbrände erneut aufzuflammen drohen.

"Terra" bildet das Flaggschiff des Earth Observing System (EOS) der US-Luft- und Raumfahrtbehörde Nasa. Seine Hauptaufgabe ist, Wissenschaftlern zu einem tieferen Verständnis des irdischen Klimasystems zu verhelfen und so bessere Prognosen der zukünftigen Klimaentwicklung zu ermöglichen. Das setzt die Fähigkeit voraus, natürliche Schwankungen von Änderungen zu unterscheiden, die von menschlichen Aktivitäten herrühren. Geologische Kräfte wie Vulkanausbrüche, die Kontinentaldrift, Veränderungen von Meeresströmungen und die zyklischen Schwankungen der Eiszeiten haben die Oberfläche der Erde und ihr Klima seit der Entstehung unseres Planeten vor etwa 4,5 Milliarden Jahren immer wieder umgestaltet. Inzwischen aber beschleunigen die Eingriffe der Menschheit das Tempo des globalen Wandels und haben, wie wissenschaftliche Untersuchungen überzeugend belegen, bereits die Stärke einer geologischen Kraft erreicht.

Damit Computermodelle all die Daten erhalten, die sie zur verlässlichen Vorhersage der Klimaentwicklung benötigen, müssen über lange Zeiträume hinweg unzählige Messungen auf der ganzen Erde durchgeführt werden. Mit diesem Ziel haben unsere Kollegen bei EOS und wir 24 Messgrößen festgelegt, die allesamt einen bedeutenden Einfluss auf das Klima ausüben. Dazu gehören die Intensität des Sonnenlichts und anderer Strahlungsarten, die Konzentrationen von Treibhausgasen, die Schnee- und Eisbedeckung, der Bewölkungsgrad, die Verteilung von Aerosolen und Vegetationsänderungen. Die "Terra"-Mission ist dafür ausgelegt, 16 dieser 24 Größen zu messen (siehe Liste auf Seite 72).

Schon 1988 rief das Earth System Sciences Committee der Nasa in einem Bericht dazu auf, eine Langzeitstrategie zur Messung der wichtigsten Indikatoren für den Gesundheitszustand der Erde zu entwickeln. Das Komitee wies darauf hin, dass sich diese Größen sinnvollerweise nur durch Sensoren an Bord von Satelliten über lange Zeit kontinuierlich messen lassen, da der Weltraum einen umfassenderen Blick auf die gesamte Erde bietet (siehe "Die Erde aus dem All", Spektrum der Wissenschaft 2/95, S. 56). Als Reaktion darauf rief die Nasa 1991 das Earth Observing System ins Leben, für dessen Konzeption und Ausarbeitung der amerikanische Kongress bis Oktober 2001 eine Summe von 7,4 Milliarden Dollar bewilligte. Unser Team hat 1,3 Milliarden Dollar aus diesem Topf dazu verwendet, "Terra" zu bauen und zu starten: das jüngste und modernste Mitglied der EOS-Flotte.

Neue Generation von Sensoren zur Fernerkundung

Am 18. Dezember 1999 wurde der Satellit in die Umlaufbahn geschossen. Spezialisten im eigens eingerichteten Kommandozentrum am Goddard-Raumflugzentrum der Nasa in Greenbelt (Maryland) überwachen seinen Flug und seine Sensoren. Die Messgeräte sind allesamt keine aktiven Instrumente, die einen Laser- oder Radarstrahl durch die Atmosphäre schicken und die vom Boden reflektierte Strahlung auffangen. Vielmehr benutzt "Terra" ausschließlich passive Sensoren, die ähnlich einer Digitalkamera nur natürliche Strahlung registrieren, die von dem beobachteten Objekt selbst ausgeht und bis zu dem Satelliten oberhalb der Atmosphäre vordringt.

Diese Strahlung stammt hauptsächlich aus dem sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Sie trifft in den Sensoren auf spezielle Detektoren, die jeweils für bestimmte Wellenlängen empfindlich sind. So wie man in einem Radio verschiedene Sender einstellen kann, lässt sich mit dem Spektroradiometer von "Terra" Strahlung aus unterschiedlichen Frequenzbändern untersuchen. Stammt sie aus dem roten, grünen und blauen Spektralbereich, ergibt ihre Kombination ein normales Foto. Strahlung aus nicht sichtbaren Wellenlängenbereichen – wie Infrarot oder Ultraviolett – ordnen die Wissenschaftler dagegen willkürlich eine sichtbare Farbe zu und erzeugen auf diese Weise ein so genanntes Falschfarbenbild, das wir mit unseren Augen ebenfalls betrachten und interpretieren können.

Die Satelliten senden einen gigantischen Strom von Zahlen zur Erde zurück. Jede Woche treffen einige zehn Billionen Bytes an Information ein, die bearbeitet werden müssen, um ihre Bedeutung zu entschlüsseln. Das entspricht der Buchstabenzahl eines Lexikons mit rund einer Million Bänden. Ein hochmodernes Computernetzwerk, das als EOS Data und Information System (EOSDIS) bezeichnet wird, empfängt und verarbeitet diese Daten. Vier verschiedene Zentren in den USA archivieren die "Terra"-Messergebnisse und leiten sie an Mitarbeiter in Regierungsbehörden und wissenschaftlichen Institutionen auf der ganzen Welt weiter – inzwischen beteiligen sich bereits etwa 850 Forscher an dem Projekt. Aber auch interessierte Privatpersonen können sich beliefern lassen.

Bei vielen früheren Satellitenmissionen war ein öffentlicher Zugriff auf die Daten weitgehend ausgeschlossen, und nur hoch dotierte Forschungseinrichtungen konnten sich ihren Erwerb überhaupt leisten. Eine einzige Aufnahme von einem der Landsat-Satelliten, die seit 1972 die Erde umkreisen, kostet mehrere hundert oder gar tausend Dollar. Im Unterschied dazu werden die "Terra"-Daten teilweise sogar über das so genannte X-Band übertragen und können dadurch von jedem aufgefangen werden, der über eine geeignete Empfangsstation und genügend Computerkapazität zur Speicherung und Bearbeitung des immensen Datenstroms verfügt. Damit lassen sich die EOS-Daten auch in den verschiedensten Bereichen kommerziell nutzen:

- Satellitenkarten, die planktonreiche Gebiete in den Weltmeeren aufzeigen, können Trawler zu ertragreichen Fischgründen leiten;

- Aufnahmen von landwirtschaftlichen Flächen geben Aufschluss über das Gedeihen der Feldfrüchte. Mit ihrer Hilfe können Landwirte den Ertrag einzelner Felder abschätzen und den Einsatz von Düngemitteln oder künstlicher Bewässerung besser steuern.

Über ein Dutzend Augen am Himmel

Außer "Terra" umkreisen bereits drei weitere EOS-Satelliten die Erde. Sie liefern Daten zu anderen wesentlichen Aspekten des Klimas; so messen sie Änderungen in der Strahlungsintensität der Sonne oder die Windstärken und -richtungen über den Ozeanen. Wenn der amerikanische Kongress EOS weiterhin finanziert, werden mehr als 15 Satelliten folgen. Sofern alle Instrumente ihre vorhergesehene Lebensdauer erreichen, werden sie einen gigantischen globalen Datensatz liefern, der 15 Jahre überspannt – eine unschätzbare Informationsquelle für die Klima- und Umweltforscher.

Erst durch Kombination der Messdaten von "Terra" und von den anderen EOS-Satelliten lässt sich das komplizierte Geflecht der vielfältigen Klimafaktoren entwirren. Ein Beispiel: Nur wenn man weiß, in welcher Weise sich die Abholzung großer Waldflächen auf die Niederschläge und die Wolkenbedeckung auswirkt, kann man beurteilen, wie der Verlust von Waldflächen den regionalen Wasserkreislauf beeinflusst. Der Vergleich ähnlicher Messdaten von mehr als einem Sensor stellt sicher, dass alle vom selben Signal stammen und dass die kontinuierliche Kalibration der Instrumente an Bord der Satelliten einwandfrei funktioniert. Zur Konsistenzprüfung werden die Satellitenmessungen außerdem fortlaufend mit Daten verglichen, die Dutzende anderer Instrumente an Bord von Flugzeugen oder Schiffen, in Bojen und am Boden liefern.

Wegen der Fülle der Messergebnisse erfordert ihre Auswertung allerdings Hunderte von Stunden an Rechenzeit. Der erste vierdimensionale "Schnappschuss" unseres Planeten wird deshalb kaum vor dem nächsten Winter vorliegen. Und bis zu ersten umfassenden statistischen Aussagen dürfte es noch mehrere Jahre dauern. Angesichts der Komplexität des irdischen Klimasystems konnten wir hier nur eine vage Vorstellung davon vermitteln, was die "Terra"-Mission insgesamt leisten wird. Überraschende neue Erkenntnisse sind garantiert – und damit tiefere Einsichten in die vielfältig verwobenen Kreisläufe auf unserem Planeten, die zugleich Anstöße für weitere Forschungen geben.

Literaturhinweise


Ozonkartierung per Satellit. Von Michael Bittner, Stefan Dech und Wolfgang Balzer in: Spektrum der Wissenschaft 9/98, S. 54.

EOS Science Plan: The State of Science in the EOS Program. Von Michael D. King. Nasa NP-1998-12-069-GSFC, 1998.

Earth from Above: Using Color-Codes Satellite Images to Examine the Global Environment. Von Claire L. Parkinson. University Science Books, Sausalito 1997.

Mission to Planet Earth: Role of Clouds and Radiation in Climate. Von Bruce A. Wielicki, Robert D. Cess, Michael D. King, David A. Randall und Edwin F. Harrison in: Bulletin of the American Meteorological Society, Bd. 76, Nr. 11, S. 2125–2154; November 1995.

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ASTER: Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (Hochentwickeltes raumgestütztes Radiometer für emittierte und reflektierte Wärmestrahlung)


Je nach seiner Beschaffenheit und Temperatur strahlt der Erdboden Energie ab, die ASTER mit sehr hoher räumlicher Auflösung misst. Diese Daten sind Schlüsselgrößen zur Bestimmung der Strahlungsbilanz unseres Planeten. Ferner erlauben sie, nackten Fels, lockeren Boden und Vegetation voneinander zu unterscheiden. Landwirten können derartige hochaufgelöste multispektrale Bilder Informationen darüber liefern, wie die Oberflächentemperatur sowie die Neigung und Beschaffenheit des Bodens das Gedeihen der Feldfrüchte beeinflussen.

ASTER registriert auch Erscheinungen wie das Schrumpfen von Gletschern und Eisdecken, die Ausdehnung von Wüsten, den Rückgang von Wäldern, Überflutungen oder Waldbrände. Dabei hilft die Vielfalt der Daten, zwischen natürlichen und vom Menschen verursachten Änderungen zu unterscheiden. Da die Teleskope von ASTER auf konkrete Ziele – etwa Lava speiende Vulkane – ausgerichtet werden können, lassen sich detailreiche stereoskopische Aufnahmen anfertigen. Sie werden die digitalen topographischen Karten unseres Planeten entscheidend verbessern und die Bildersammlung erweitern, welche die Landsat-Satelliten seit 1972 zusammengetragen haben.

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MOPITT: Measurements Of Pollution In The Troposphere (Verschmutzungsmessungen in der Troposphäre)


Zwei schädlichen Spurengasen gilt die Spürnase von MOPITT: Der Sensor misst die globale Verteilung von Methan und Kohlenmonoxid in der unteren Atmosphäre. Methan ist ein Treibhausgas, das fast dreißigmal so viel Wärme speichern kann wie Kohlendioxid. Es wird von Sümpfen, Viehherden und Hydratlagerstätten unter dem Meeresboden freigesetzt; wie viel davon aus den jeweiligen Quellen entweicht, ist allerdings nicht bekannt. Seine Konzentration in der unteren Atmosphäre steigt derzeit stetig um etwa ein Prozent pro Jahr. Kohlenmonoxid, das von Fabriken, Kraftfahrzeugen und Waldbränden freigesetzt wird, hindert die Atmosphäre daran, sich selbst von anderen schädlichen Gasen zu reinigen. Als erster Satellitensensor nutzt MOPITT die Gaskorrelations-Spektroskopie, um diese beiden Gase von anderen – etwa Kohlendioxid oder Wasserdampf – zu unterscheiden. Wärmestrahlung oder reflektiertes Sonnenlicht tritt dabei in den Sensor ein und durchquert dort zwei Behälter mit Kohlenmonoxid beziehungsweise Methan. Es entsteht ein so genanntes Korrelationssignal, das die Präsenz dieser Gase in der Atmosphäre anzeigt.

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MODIS: MODerateresolution Imaging Spectroradiometer (Abbildendes Spektroradiometer mit mittlerer Auflösung)


MODIS beobachtet den Globus in 36 verschiedenen Spektralbereichen und erfasst damit mehr umweltrelevante Daten als alle anderen "Terra"-Sensoren. Beispielsweise misst er praktisch jeden Tag den Prozentsatz der von Wolken bedeckten Erdoberfläche in einem Streifen von 2330 Kilometern Breite. Auf Grund dieser weiträumigen Beobachtungen kann MODIS zusammen mit MISR und CERES den Einfluss von Wolken – dem größten Unsicherheitsfaktor in Klimamodellen – auf die Strahlungsbilanz der Erde bestimmen. Einer der Beobachtungskanäle des Sensors (bei 1375 Mikrometern) wurde noch nie zuvor verwendet und ermöglicht die Entdeckung dünner Cirruswolken, die vermutlich zur globalen Aufheizung beitragen, indem sie von der Erdoberfläche abgestrahlte Wärme zurückhalten. MODIS wird auch verfolgen, wie sich Rauchfahnen und andere Aerosole mit Wolken vermischen und so deren Absorptions- und Reflexionsvermögen ändern.

Außer der Wolkenbedeckung registriert der Sensor auch Veränderungen am Erdboden. Beispielsweise ermittelt er die Zunahme der eis- und schneebedeckten Flächen im Winter und verfolgt die "grüne Welle", die beim Erwachen der Vegetation im Frühling über die Kontinente rollt. Er stellt fest, wo und wann Katastrophen auftreten – etwa Vulkanausbrüche, Überflutungen, Orkane, Dürren und Waldbrände –, und warnt unter Umständen betroffene Menschen vor der Gefahr. Die spektralen Bänder, in denen MODIS beobachtet, sprechen besonders empfindlich auf Feuer an: So kann der Sensor zwischen lodernden Flammen und Schwelbränden unterscheiden. Außerdem wird er genauere Schätzwerte der Mengen an Rauch und Gas liefern, die bei Bränden in die Luft entweichen.

MODIS ist auch ideal dazu geeignet, großräumige Veränderungen in der Biosphäre zu erkennen, die das Verständnis des globalen Kohlenstoffkreislaufs vertiefen dürften. Zwar kann derzeit kein Satellit den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre direkt messen, aber MODIS ist in der Lage, die Photosyntheseaktivität der Pflanzen quantitativ zu bestimmen und so anzuzeigen, wie viel dieses Treibhausgases sie absorbieren. Außerdem bietet der Sensor einen vielsagenden Blick auf die Biosphäre des Meeres, indem er die Fluoreszenz des Chlorophylls in den Ozeanen misst.

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MISR: Multiangle Imaging SpectroRadiometer (Abbildendes Weitwinkel-Spektroradiometer)


MISR ist das erste Instrument seiner Art im Weltraum. Es beobachtet die sonnenbeschienene Seite der Erde gleichzeitig unter neun verschiedenen Blickwinkeln und nimmt Bilder des reflektierten Sonnenlichts in vier Farben auf (blau, grün, rot und nahes Infrarot). Auf Grund der Art und Weise, wie sich die Reflexionen von einem Blickwinkel zum anderen ändern, lassen sich verschiedene Typen von Wolken, Aerosolen und Landflächen auseinander halten. Aus den kombinierten MISR-Bildern kann man mit stereographischen Techniken dreidimensionale Modelle erzeugen, die es erlauben, Aerosole und Rauchwolken zu ihren Quellen zurückzuverfolgen. Im Äquatorbereich überstreicht MISR die gesamte Erdkugel einmal in neun Tagen. Mit seinen Weitwinkelmessungen hilft es dabei, die Rolle der Wolken und Aerosole im Energiehaushalt der Erde zu beurteilen.

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CERES: Clouds and the Earth's Radiant Energy System (Wolken und Strahlungsenergiesystem der Erde)


Zur Vorhersage globaler Temperaturänderungen muss man genau wissen, wie viel Strahlung in Form von Wärme oder Sonnenlicht in die Erdatmosphäre ein- und wieder austritt. Bis heute gelingt es den Klimaforschern nicht, den Verbleib von acht Prozent der einfallenden Sonnenstrahlung zu ermitteln. Verantwortlich für den Fehlbetrag sind möglicherweise Wolken und Aerosole: winzige Rauch- und Staubteilchen, die Energie absorbieren und sie über die untere Atmosphäre verteilen, wo andere Satelliten, die den Energiefluss ermitteln, bisher keine Messungen durchführen konnten. Um die Rolle der Wolken im irdischen Strahlungshaushalt besser zu bestimmen, misst CERES (indem es zusätzlich Daten von MODIS heranzieht) den Energiefluss sowohl am oberen Rand der Atmosphäre als auch an der Erdoberfläche – und das doppelt so genau wie frühere Sensoren. CERES tritt damit das Erbe des Nasa-Satelliten ERBE (Earth Radiation Budget Experiment) aus den achtziger Jahren an.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2000, Seite 70
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